Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Morteza Shamanian esfahani
کیوان رئیسی (استاد راهنما) مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Vahid Rajaei Anaraki
وحید رجائی انارکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Investigation of the Ni-Mo and Ni-Mo-P electrodeposition coatings on stainless steel bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cells applications
Bipolar plates are one of the most important parts of fuel cells which their performance has appreciable effect on cell operation. In this study, Ni-Mo and Ni-Mo-P alloys coatings were prepared on 304 stainless steel substrate by electrodeposition method from citrate-ammonia bath by applying current densities of 30, 60 and 100mA/cm 2 for using in bipolar plates of polymer electrolyte membrane fuel cell. Prepared coatings were uniform and compact.Moreover, molybdenum content of Ni-Mo alloys decreased with increasing current density. On the contrary, composition of the Ni-Mo-P coatings did not change significantly. X-ray diffraction analysis indicated that all coatings were composed of a solid solution which Ni-Mo coatings had nanocrystalline structure with grain size of 47-90? and Ni-Mo-P coatings had amorphous/nanocrystalline structure. In addition, hydrophobicity of substrate was increased with preparing Ni-Mo and Ni-Mo-P coatings. Results of Tafel polarization and electrochemical impedance spectroscopy in simulated solution of fuel cell showed that the solution could not reach the substrate and also polarization resistance, as well as corrosion current density in open circuit potential, was improved compared with substrate. Investigation of potentiostatic results in cathodic condition showed that Ni-Mo-P coatings had almost equal corrosion current density after 4 hours of polarization. On the other hand, corrosion current density was decreased with increasing Mo content of Ni-Mo coatings. Investigation of interfacial contact resistance (ICR) of bare substrate and Ni-Mo coated substrate prepared at 30 mA/cm 2 and Ni-Mo-P coated substrate prepared at 100 mA/cm 2 showed decrease in ICR of substrate with applying the coatings. Moreover, after potentiostatic test of bare 304SS and Ni-Mo-P coated substrate prepared at 100 mA/cm 2 had the maximum and minimum ICR between mentioned samples, respectively. Investigation of performance of bipolar plates in practical conditions of polymer electrolyte membrane fuel cell indicated that the output voltage for substrate decreased faster compared with coated Ni-Mo-P coating obtained at 100mA/cm 2 . In addition, only activation and ohmic polarization regions were observed in diagram of single cell performance with Ni-Mo-P coated bipolar plate. On the contrary, for bare 304SS in addition to mentioned regions, concentration polarization region was also observed and output voltage and power density of cell were extremely decreased in this region. Keywords : bipolar plates, Ni-Mo alloy, Ni-Mo-P alloy, electrodeposition, polymer electrolyte membrane fuel cell
صفحات دوقطبی یکی از مهمترین اجزای پیل های سوختی می باشند به گونه ای که عملکرد آنها تأثیر محسوسی روی عملکرد پیل می گذارد. در این تحقیق پوشش های آلیاژ نیکل- مولیبدن و نیکل-مولیبدن-فسفر به روش رسوب دهی الکتریکی و از حمام سیترات – آمونیاکی، با اعمال چگالی جریان های 30، 60 و mA/cm 2 100 روی زیر لایه فولادی زنگ نزن 304 به منظور کاربرد در صفحات دو قطبی پیل سوختی غشاء پلیمری ایجاد شدند. پوشش های ایجاد شده یکنواخت و فشرده بوده و علاوه بر آن با افزایش چگالی جریان، مقدار مولیبدن آلیاژهای نیکل-مولیبدن کاهش یافت درحالی که ترکیب شیمیایی پوشش های نیکل-مولیبدن-فسفر تغییر چندانی نکرد. آنالیز پراش پرتو ایکس پوشش ها نشان داد که تمامی پوشش ها از یک محلول جامد تشکیل شده بودند به گونه ای که پوشش های نیکل-مولیبدن ساختاری نانوکریستالی و با اندازه دانه 90-47 آنگستروم و پوشش های نیکل-مولیبدن-فسفر ساختاری آمورف/نانوکریستالی داشتند. از طرفی با ایجاد پوشش های نیکل-مولیبدن و نیکل-مولیبدن-فسفر آبگریزی زیرلایه افزایش یافت. نتایج آزمون های پلاریزاسیون تافل و امپدانس الکتروشیمیایی در محلول شبیه سازی پیل سوختی نشان داد که با اعمال پوشش ها، اولاً محلول نتوانسته به زیرلایه دسترسی یابد و ثانیاً مقاومت پلاریزاسیون و چگالی جریان خوردگی در پتانسیل مدار باز نسبت به زیرلایه بهبود پیدا کرده است. بررسی نتایج آزمون پتانسیواستاتیک در شرایط کاتدی نشان داد که پوشش های نیکل-مولیبدن-فسفر پس از 4 ساعت پلاریزاسیون چگالی جریان خوردگی تقریباً یکسانی را دارا هستند و ازطرفی با افزایش مقدار مولیبدن در پوشش های نیکل-مولیبدن، چگالی جریان خوردگی کاهش می یابد. بررسی مقاومت تماسی زیرلایه بدون پوشش و دارای پوشش های نیکل-مولیبدن حاصل از چگالی جریان mA/cm 2 30 و نیکل-مولیبدن-فسفر حاصل از چگالی جریان mA/cm 2 100حاکی از کاهش مقاومت تماسی زیرلایه با اعمال پوشش ها بود. همچنین پس از آزمون پتانسیواستاتیک فولاد زنگ نزن 304 بدون پوشش و دارای پوشش نیکل-مولیبدن-فسفر حاصل از چگالی جریان mA/cm 2 100 به ترتیب بیشترین و کم ترین مقاومت تماسی را در بین نمونه های مذکور ارائه دادند. بررسی عملکرد صفحات دوقطبی در شرایط عملی پیل سوختی غشاء پلیمری نشان داد که با افزایش چگالی جریان، ولتاژ خروجی برای زیرلایه بدون پوشش سریعتر از فولاد زنگ دارای پوشش نیکل-مولیبدن-فسفر حاصل از چگالی جریان mA/cm 2 100کاهش می یابد. علاوه بر آن در نمودار عملکرد تک سل پیل سوختی با صفحات دوقطبی دارای پوشش نیکل-مولیبدن-فسفر تنها دو ناحیه فراپتانسیل اکتیواسیون و اهمی مشاهده شد در حالی که برای صفحه دوقطبی فولادزنگ نزن 304 بدون پوشش با افزایش چگالی جریان، ناحیه فراپتانسیل غلظتی نیز علاوه بر نواحی مذکور مشاهده شد که در این ناحیه ولتاژ خروجی پیل و چگالی توان آن به شدت کاهش یافت. کلمات کلیدی: صفحات دوقطبی، آلیاژ نیکل-مولیبدن، آلیاژ نیکل-مولیبدن-فسفر،رسوب دهی الکتریکی، پیل سوختی غشاء پلیمری

ارتقاء امنیت وب با وف بومی